SPICE的器件模型..

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1、SPICE的器件模型在介绍SPICE基础知识时介绍了最复杂和重要的电路描述语句，其中就包括元器件描述语句。许多元器件（如二极管、晶体管等）的描述语句中都有模型关键字，而电阻、电容、电源等的描述语句中也有模型名可选项，这些都要求后面配以.MODEL起始的模型描述语句，对这些特殊器件的参数做详细描述。电阻、电容、电源等的模型描述语句语句比较简单，也比较容易理解，在SPICE基础中已介绍，就不再重复了；二极管、双极型晶体管的模型虽也做了些介绍，但不够详细，是本文介绍的重点，以便可以自己制作器件模型；场效应管、数字器件的模型过于复杂，太专业，一般用户自己难以制作模型，只做简单介绍。元器件的模型非常重要

2、，是影响分析精度的重要因素之一。但模型中涉及太多图表，特别是很多数学公式，都是在WORD下编辑后再转为JEPG图像文件的，很繁琐和耗时，所以只能介绍重点。一、二极管模型：1.1理想二极管的I-V特性：十VdqVdid=is（er反向饱和电疣：is=嗚为本征我疣子浓度f为空宾扩憩系数为空穴平均扩議岳度加为自曲电子扩散长度苴中；.珀为二极管的截面积D加为电子扩散系数%=”肮为巨由电子浓度N区的热平衡值Na=戸刊为空次浓度P区的热平衡值1.2 实际硅二极管的I-V特性曲线：折线A輸新H愛舒刪电JU呕扩験电翘U龜融駆蚀斂、變轨棘妙等骸辦）fgi1.3DC大信号模型：qd宣流电流加=Id=f(Vd)=q

3、kT-1)Vd厶跖-1)+耳騙-厶+gnm-砂EVWd-5Vd-5k.T/q比&-5k.7/qri)14-PrJginin1(血研-11+他J咲PfJPr-5kTjq7C=厶厶=血惹止区：-5kTiqVc-:5kTLqhi八Mmin/-：Rgrnin金+鱼I；-;FPr丿占niiii2.1.4Early效应：基区宽度调制效应眄疔为正向Early电压匕U为反向Early电压二考反映了F随的増加而増大2.1.5带Rc、Re、Rb的传输静态模型：leg；RedEz带RfRbR巳的传输静态嘆型正向参数和反向参数是相对的，基极接法不变，而发射极和集电极互换所对应的两种状态，分别称为正向状态和反向状态，与

4、此对应的参数就分别定义为正向参数和反向参数。2.2Ebers-Moll大信号模型：氏涉艮的滞：CJEUj感匚用张如1%mEmcGGFc)2.3Gummel-Pool静态模型：B1低电疣Q值下降：通过参数:鬆:C4g%*F_lLC斗厶(geaiT_ll丿+%E(L1、lPk_禺4PrgtmnF,e伽FgWas一丄eT-l+弘严站1Pf)PrLJ(0)(1-)1-理抜杲丈渡越时冋=y茗2在Ic低电疣或Vce高电丿玉时1）右卩.疋-jiTF1苴中.；/”亠Jyy1+疔丫-zliiiiT-iijijnjr+?3口lcc+1q丄1.44空%Ic为大电疣时TFF=lF1+疋疔1.44畑2.5BJT晶体管模

5、型总参数表:符号代吕響執值殛值单隹1$:ISWi电疣10-6A爲BF運想最丈正向电疣放犬系数100-1.00ABR:反向摄大电疣放大系数i旳fNF正向电流发射系数11VNR反向电疣发射系数1C2ISE(C2):基极-发射极漏诧和电疣0iooo|AC4ISQ4)基极一集电极漏诧和电疣01AIKF(IK)正向膝点电疣co0.01.AIKR:反向膝点电疣cop.lA:%NE基极-发射极漏发射系数1.52HC基极一集电极漏发射系数2.2VAF(VA)正向EARL/电压DO1两VVAR(VB)反向ER直L專电压CO.100V眈集电极电阻：0：；10Q更发射极电阻01Cl%RB零偏基极电阻o100QRBM

6、犬电疣时最小基极皑阻gB；100Cl爲IRB基极电阻下降肯1呈时的电疣ooATF.：理想正向镀越时间o-O.lns%TR.理想反向渡越时闾0lDnsTFXTFTF随偏置变化系数0-VTF:TF腿偏置Vbc：吏化的电压参数cov/TFITF影响TF的丈电疣参数0AfFPTF在1/(2P1TF)Hz吋的超前相移0-.n/s.Rad亡JECJE:零偏B-E结耗尽电容0F，?s.VJEE-E结内連电势0.75.0.7-V.叫MJE(ME)B-E结梯疫因子0.330.33CJC零偏集毘极PN结耗尽电容0lpF:VJ.GPC)结内建电势0.750.5V.MJC(M(g氏巴结棉度因子0.330.33筋：零偏

7、集电极一衬底PN结电客0F，h衬底结内逹电势0.75V.叫衬底结梯度因子0XCJQXCJC结耗尽电容连到基极内节点的百分数i:FcFC正诟耗匡电容系数0：5XyaXTBBR.EF的爲度系数0岛XTl(PT).IS的泯度憩应指数3EgEG築带宽度1.11.1.11eV-KFHf闪烁噪声丟数：0：AFHf闪烁噪声指数1ITT工作温度27t；三、金属氧化物半导体晶体管MOSFET模型:3.1 一级静态模型：Shichman-Hodges模型（涉M细E：LW帶&yANb5IsX订Kp2fpptozNss氏JsJQG3.2二级静态模型（大信号模型）：Meyer模型3.2.1电荷存储效应：3.2.2PN结

8、电容：轴丿3.3 三级静态模型：线性區逼疣I虽&兀s比ffT比s2.式中理=yFsH-阳22$-/s更中：EP=略短沟道效应的影响込富=卩曲+文松一刃as+s#2%_在+朋0一卩跖）.窄沟道效应影响丽=沟道桧度饱和区变化一丄3.2 MOSFET模型参数表：一级模型理论上复杂，有效参数少，用于精度不高场合，迅速粗略估计电路二级模型可使用复杂程度不同的模型，计算较多，常常不能收敛三级模型精度与二级模型相同，计算时间和重复次数少，某些参数计算比较复杂四级模型BSIM，适用于短沟道（3um）的分析，Berkley在1987年提出代号级名称執值殛值单位LL沟道长度DEFLmWW沟道宽度DEFWm窃VTO

9、1-3零偏闽值电压11VKpKP1-3跨导系数20u30uAIV2YGAMMA1-3体效应系数00.35严2伽PHI1-3表面电势0.60.65VALAMBDA12沟道长度调制系数00.02厂itoxTOX1-3甄化层厚度0.1U0.1Um.NbNSUB1-3衬底掺杂浓度01x10+2cmNssNSS23表面态密度0lxl0+1cm2碣NFS23快表面态密度0lxl0+1cm2NeffNEFF2总沟道电荷系数15XjXJ23（金属的）结深0lumXjlLD1-3描向扩散长度（源和漏）00.8umTpGTPG23册材科类型+1011坯UO1-3我流子表面迁移率600700cm2IVsAcUCRI

10、T2迁移率下降时临界电场1000010000V/cmUEXP2迁移率下降时临界电场指数00.1UTRA2迁移率下降时临界电场系数00.5VmaxVMAX23载流子最大漂移速度050000mXqcXQC23沟道电荷对漏极的分配系数00.48DELTA3闽值电压的沟道宽度效应系数01VETA3静态反馈系数（闽值电压）01eTHETA1-3迁移率调制系数00.05厂】AF1-3烁噪声指数11.2心KF1-3i/f闪烁噪再系数01x026IsIS1-3衬底PN结论和电流10fIfAJsJS1-3衬底PN结诧和电疣密度0lOnA対PB1-3衬底PN结内連电势0.80.75VCjCJ1-3衬底PN结零偏置

11、单位面积电容020mFlm2MjMJ1-3衬底PN结电容梯度因子0.50.5CjswCJSW1-3零偏衬底电容/单位周边长度0InF/mMjswMJSW1-3衬底周边电容梯度因子0.330.33FcFC1-3正偏耗尽电容系数0.50.5CgboCGBO1-3G-B间覆盖电容/单位沟道宽度0200pF/mCGDO1-3G-D间覆盖电容/单位沟道宽度040pF/mI寸哥輕spo干ueullp-!-Iqs4“础鰹囹巴*柱闰様W刹坡PN结帼和电疣lOf.10fAm糊PN结梯.度因子Of.5nN:栅PN结发射丟数i:G.GD零偏G-D间PN结电容0.FCGS：零偏GS间PN结电容O:厢：F.FcFC正偏

12、雜尽层电容系数Of.5TQTCVTOTC：VTO、温度系数O:：VZ1CABETATCEBETA温度丟数0.l/lOOTCKfKFNf闪烁噪声系数0：氐FAFHf闪烁噪声指数0.五、GaAsMESFET模型：分两级模型（肖特基结作栅极）GaAsMESFET模型参数表：代号却值%。VTO國值电压(夹断电压)-Z5-2.0VaALPHA饱和电压参数2.0L5V-1BETA瞻导系数0.110u.A/y2.iLAMBDA沟道长度调制系数0ltJOp戸KgKG栅极串联电阴DhCRdRD.漏极串联电阴01.GRsgs源极串联电阴：01.QIs:IS册FN结饱和电疣l.OfAmM删PN结棉度因子0.5nN艸

13、PN结发射系数1GDCGD零偏G-D间PN结电容D1PFCGS零诟G-S间PN结电容.0师FVBI删PN结内建电势1.005v-CDSD-S间电容.00.3pFTTAU导电电疣延迟时间0lap：sFcFC正偏耗尽电容系数.0.5.；JoTCVtotcVTO温度系数0v/*cBETATCEBETA.?度系数.0l/lOOX?KfKFHf闪烁噪声系数0AFHf闪烁噪声指数i、六、数字器件模型：6.1 标准门的模型语句：.MODELUGATE模型参数标准门的延迟参数：逊单也TPLHMN低电平上升高电平，摄小时间延迟0STPLHTY低电平上升高电平，标准时间延迟.0STPLHMX低电平上升高电平，最大

14、时间延迟0.STPHLMN高电平下阵低电平，摄小时间延迟0STPHITY高电平下降低电平，标准时间延迟.0STFHLMX高电平下降低电平，最大时间延迟0SMNTYMXDLY延迟类型：0戦认值1摄小值典型值3摄大值06.2 三态门的模型语句：.MODELUTGATE模型参数三态门的延迟参数：翅名SiKU值单位TPLHMN低电平上升高电平，最小时间延迟QsTPLHTY低电平上升高电平，标淮时间延迟osTPLHMX低电平上升高电平，最大时间延迟0sTPHLMN高电平下降低电平，最小时间延迟QsTPKETY高电平下降低电平，标淮时间延迟osTPHLMK高电平下降低电平，最大时间延迟sTPLZMN低电平

15、上升到E（高阻），最水时间延迟0sTPLTTY低电平上升到Z（高阻），新准时间延迟osTPLZMX低电平上升到E（高陥），爰丈肘间延迟Q-sTPHZMN高电平下降到Z（高阴），盘貳时间延迟0sTPtSTY高电平下降到忑（高阻h标准时间延迟0.0TPHZMX直电平下降到忑（高陪），虽丈时间延迟Q-sTPZLMN忑（高阻）下降到低电平盘乎时间延迟OsTPZLTY忑（高阻）下降到低电平标准时间延迟00:TPZLM嫁忑（高阻）下降到低电平摄尢时间延迟0.sTPZHMNZCS阻）上升到高电平杲小时间延迟OsTPZHTYZ（高阴）上升到高电平标准时间延迟QsTPZHMXZC阻）上升到高电平摄大时间延迟0.

16、sMNTYMXDLY延迟类型：0默秋值1最小值典型值3杲丈值O6.3 边沿触发器的模型语句：.MODELUEFF模型参数边沿触发器参数：JKFFnffpreb,clrb,clkb,j*,k*,g*,gb*JK触发器，后沿触发D触发器，前DFFnffpreb,clrb,clk,d*,g*,gb*沿触发边沿触发器时间参数：TPPOQLHMN瑕歩延迟preb/chb融发q/qb低变高0.sTPPCQLHTY典型延迟preb/chb融发q/qb低变高QsTPPCQLHMX摄犬延迟preb/chb触发q/qb低娈高0.sTPPOQHLMN瑕歩延迟preb/chb融发q/qb高变低0；sTPPCQHLTY

17、典型延迟preb/chb融发q/qb高变低QsTPFCQHLMX彊大延迟preb/chb触发q/qb高变f氐osTWPCN瑕歩延迟最峦preb/chb低电平脈冲宽度0；sTWPCLTY典型延迟B-fbpreb/chb低电平屎冲宽度0.sTWFCLIvIX彊大延迟M/NcltJckb髙电平脉冲宽度0stsud(Slkmn建立；：j/kMtoc血cllsb边沿，摄小值0-sTSUD(PLKTY建立：j/k/dtoclk/cllsb边沿，典型值.0；sTSUDCLKT-4X-逹立：卿tocUs/clldo边沿，最大值QsTSUPCCLKHMN逹立：preb/chbhitodk/cDsb边沿j灵爪值o

18、sTSUPCCLKHTY建立：preb/chbhitoclk/clkh边沿j典型值.0；sTSUPCCLKHMX連立：preb/clibhitoclk/cUsb边沿j摄大值0.sTHDCLKMN保持：j.GJdaRerclk/clJkb边沿.谡小值osTHDGLKTY保持.vj/Udiifterclk/clEb边沿j典型值osTHDCLKMX保持：i/k/dafterclUcUsb边沿j摄大值0.sMNTYMXDLY延迟类型：0默钛值1疑小值2典型值M摄犬值06.4 钟控触发器的模型语句：.MODELUGFF模型参数钟控触发器参数：SRFFnffpreb,clrb,gate,s*,r*,q*,

19、qb*SR触发器，时钟高电平触发D触发器，时钟DLTCHnffpreb,clrb,gate,d*,g*,gb*高电平触发钟控触发器时间参数：TPPCQLHIvIN最书延迟preb/chb触发q/qb低变高0sTPPCQLHTY典型延迟preb/chb触发q/qb低变高0sTPPCQLHMX最大延迟preb/chb触发q/qb低变高J0sTPPCQHLIvIN最书延迟preb/chb触发q/qb高变低0工TPPOQHLTY典型延迟preb/chb触发q/qb高变低.05：TPPCQHLMX最大延迟preb/chb蝕发q/qb高变低J0sTWPCLMN最延迟棗小preb/chb低电平脉中宽度0s.

20、TWP0LTY典型延迟蛊小preb/chb低电平脉沖宽度.05：TWFdLMX最大延迟劉bpreb/clib低电平脉沖宽度J0sTPGQIHMN最延迟gte铀发q/qb低变高0s.TPGQIHTY典型延迟gte帥发q/qb低变甕.0工TPGQLHL/IX：最大延迟gate融境q/qb低变高J0sTPGQHLMN慑摄小值ns.TSUPCGHTY逹立：preb/chbhitogate边沿典型值0工TSUPCGHh-IX逹立：preb/chbhitogate边沿摄犬佰.05：THDdLKMN保持：s/r/daflerclk/cUsb边沿蜃小值JO.s.THDCLICTY保持知过血afiercDJcI

21、kb边沿典型值.03THDCLKMX保持：s/r/dscftercDJcUsb边沿委犬值.0s:MNTYMXDLY延迟类型：0默认值1摄小值勺典型值3杲犬值,06.5 可编程逻辑阵列器件的语句：U(,)*#+FILE=+DATA=$MNTYMXDLY=+IOLEVEL=其中：列表PLAND与阵列PLANDC.毎个軌入变量有同相端与反相端的与阵列PLORPLORC毎军输入变量有同相端与反栢端的或阵列PLXOR异或阵列PLXORCf：毎亍輸巩变星有同相端与反相端的异或阵列PLNAND与非阵列PLNANDC毎个撤人变量有同相端与反相端的与非陈列PLNOR或非阵列PLNORC毎军输入变量有同相端与反相

22、端的或非阵列PLNXOR同或阵列PLNXORC毎亍输入变星有同相端与反相端的同或阵列JEDEC格式文件的名称，含有阵列特定的编程数据JEDEC文件指定时，DATA语句数据可忽略是下列字母之一：B二进制O八进制X十六进制程序数据是一个数据序列，初始都为0PLD时间模型参数：TPLHMN低电平上升高电平，蜓小时间延迟U5TPLHTY低电平上升高电平标淮时间延迟0sTPLHMX低电平上升高电平摄犬时间延迟0：sTPHLIVIN高电平下降低电平，蜓小时间延迟D5TPHIJY高电平下降低电平标堆时间延迟0STPHLlvIX高电平下降低电平摄丈时间延迟J0SOFFSETJEDEC文件的第一输头端地址和第一

23、门的程序nfeOMPOFFSETJEDEC文件的第一输入反詣端地址和第一门的程序、iINSCLEJEDEC文件对毎一誓新输汽端地址变化的计数.1/2勺d/同相返栢UTSCALEJEDEC文件对毎一皋新输出端地址喪化的计数feLplltS.CSllLplis)3皿同相:凌相MNTYMXDU涎迟选挥:0默认值1蝗坐值3典型值：$棗丈值JO七、数字I/O接口子电路：数字电路与模拟电路连接的界面节点，SPICE自动插入此子电路子电路名(AtoDn和DtoAn)在I/O模型中定义，实现逻辑状态与电压、阻抗之间的转换。7.1 N模型：数字输入N模型将逻辑状态（10XZ）转换成相对应的高电平节点低电平喀点电

24、压、阻抗。应出是随时间变化的电阻，当数字涪号的状态变化时，电阻值是指数变化，电阴值的娈化是由新伏态的开关时间决定的.C站煜固定戏窮通第低电平节盍和高电平节盍连接相应的电压源，电压值与星高和最低逻辑电平值相关由隔应頊和连接的两亍电压源，可凰产生掾高和最低逻辑电平走间的任一电压和任一阻抗的输出匚数字模拟器的N模型语句：N+DGTLNET=IS=(initialstate)数字文件的N模型语句：N+SIGNAME=IS=(initialstate)模型语句：.MODELDINPUT(模型参数)模型参数表：疑羊恆CLO电容连接到lowlevel节点0FCHI电容连接到highlevel节点QFSONA

25、ME状龛0特性缩写SOTSW状龛0开关时间SSORLO状蛊0电阻连接到lowlevel节点QSORHI状态0电阻连接到highlevel节点QS1NAME状龛1特性缩写S1TSW状起1开关时间SS1RLO状态1电阻连接到lowlevel节点QS1RHI状盎1电阴连接到highleviel节点QS19NAME状龛19特性縮写S19TSW状态19开关时间s-S19RLO状态1?电阻连接到lowlevel节点QS19RHI状龛19电阻连接到kghlevel节点QFILE.数字输衣文件名FOPMAT教字输入文件格式1-TIMESTEP数字输羔文件步长lit.S：7.2 O模型：将模拟电压转换为逻辑状态

26、(10XZ),形成逻辑器件的输入级。6辺址応由模型養数决定毎当时间等于时间歩底TIMESTEP的整数倍时，器件节点的状龛将被写人:文件中-节点状态由接口节点和参考节点之间的电压值决定,将该电压值与当前电压序列进行比较,如果落在当前电压序列中,则新状态与原状态相同；如果不在当前电压序列中，则从SONAME开始检查，第一个含有该电压值的电压序列可确定为新状态。如果没有电压序列包含这个电压值,则新状态为？(状态未知)。数字模拟器的O模型语句：O+DGTLNET=数字文件的O模型语句：O+SIGNAME=模型语句：.MODELDOUTPUT(模型参数)模型参数表：翅名霸单位RLO理D电容连接到lowl

27、evel节点0GCLOAD电容连接到highlev节点0F.CHGQNLY。写毎亍时间步长1写新变化.0S0NAME状态0特性缩写SOVLO状态0lowlevel电压VS0VHI状态0highlevel电压VS1NAME状态1特性缩写lVLO状盍1lowlevel电压VS1VHI状态1highlevel电压V19NAME状盍19特性缩写S19VLO状态19lowlevel电压VS19VHI状态19highlevel电压VFILE数字输龙文件名FORMAT数宇输入文件格式.1TIMESTEP数字输理文件步长.111STIMESCALE数字输菽文件刻度1八、数学宏模型：作为电路功能块或实验仪器插入

28、电路系统中，代替或模拟电路系统的部分功能，有24种8.1 电压加法器：il*0+”基本运姦方程：%=即泅+&%+禺汨+%等效电路方程:：珥16)=俎芦(10)+屁氏4禺叫14)+8.2 电压乘法器：+爲1+、一%等效电路方程：7(14)：=(10)8珥基玄运算方程：%8.3 电压除法器：基伞垣耳力枉：忙他f等效电路方程：f(G%y=UWW2)Z)(1142)8(13J讥1裁=尽(审(&$)二RO卩(10,12)刑+尽D矿(11,1当R1-普时，I(GdVl=I(GdV2(13)=：C叫10,12)“。卩(11,1勾8.4电压平方：基本运算方程：8.5 理想变压器：VCC.VCCO.F1F2VC

29、COVsence2等效电路E17CC方程；-.7(1)=.(N2VNXy1(F=(洌価2)护龍叱1)Vsencel-QVsence为零值电压源亍用作电流表8.6 电压求平方根：方程%=疋濟8.7 三角波/正弦波转换器：三角波峰-峰值为2V,其中C=PI/2fG购(祖+BYEl=Vin叭0=“Ul)=6牛=购+0)=B=1(2冯辺=l/=T畑$Cl=l匹(14)二叫点頼购*Q九=心比+D时(14)苴中;辺=cos(PD=sinRRt；滋=F晦gcs处inC+Q)+singcs(ef+g)即移位一$当月=T尺2皿时，VinS$8.9 电压积分器：叫=（-皿為j冈;（叫q沁+i）当Rfl时，壮4-1

30、/（陰坨丿（乙陰=卩(14”-仆论GJIX逬8.10 电压微分器：8.11 电压绝对值：（略）8.12 电压峰值探测器：（略）8.13频率乘法器：8.14频率除法器：九m8.15频率加法器/减法器：几=血土九8.16 相位探测器：(13)=珥也1为幼/一矿(1llxlO-11沁19j=札务巩11?12)-卩(14)苴中仏叫=阴和寧农）8.17 传输线：模拟信号延迟（略）8.18 施密特触发器：XIX2为输入触发电压其中：独立电压源Vl=（Y2-Y1）左V2=-（Y-Y1）Z2Fl辺为相应输出电压珥16；遍乞+）f2卩（1勇：苴中L汁产生反向转换特性产生正向转换特性如果瞬悲分析不收敛，将C1力吠

31、到1翎0-14或更大为避免不收敛，不使用DC扫描，将模型中加入PWL源，产生缓变上升/下降斜波与瞬态分析效果相同8.19 电压取样-保持电路：（略）略略略8.20 脉冲宽度调制器8.21 电压幅度调制器8.22 电压对数放大器8.23 N次根提取电路：二区）诙8.24 拉氏变换：（略）九、系统方程宏模型：可作为功能块代替某些未知的电路或不需要分析的电路插入电路中，使电路系统的分析变得简单明了。9.1 积分器子电路：作为求解微分方程组的基本运算部件，可在10MHz下工作子电路描述文件：*IntegratorSubcircuit.Subcktint12Gi02101uCi201ufRo201000MEG.ENDSINT9.2电感型微分电路：受控源G的控制电压为Vin,输出电流i9.3 电容型微分电路：CC匸dtVW等效电路|%=片目一存=RCrat9.4网络函数的SPICE模型：高阶网络函数可分解为几个较简单的一阶、二阶函数,用级联和耦合结构来实现二阶网络幽数框图十、非线性器件的模型：10.1电容型传感器：检测元件是非线性电容CqI5曲5*12V10.2光敏电阻：时变电阻10.3 变容二极管：压控电容其中：卩）为二极管反向偏压札赴二极管势垒电位，Si0.e-0.7VCo为零偏时结电客Y为电容变化指数0.33-7